工程勘察中砂礫石層液化問題的分析評價

成小勇

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000）

1 前言

砂土地震液化問題是水利水電工程地質(zhì)勘察中的主要地質(zhì)問題之一，一旦產(chǎn)生液化，對工程危害性嚴(yán)重，甚至可以說是致命的。工程界對砂土液化問題一直進(jìn)行著不懈的研究、探索，在此基礎(chǔ)上，形成了現(xiàn)今的多種分析評價方法，以及各種各樣的處理方法和形式。最容易產(chǎn)生液化的地層無疑是粉細(xì)砂層和粉土層，而對粒徑較粗的砂礫石層液化，不易引起重視，甚至直觀的認(rèn)為不產(chǎn)生液化，但實際砂礫石層是有可能產(chǎn)生地震液化的。現(xiàn)行規(guī)范對液化評價列有幾種方法，但在實際操作中還存在一些問題，比如沒有專門的完全適合砂礫石層的直接評價方法，亦缺少液化指數(shù)及液化等級的定量評價等。

實際工作中遇到過幾例砂礫石層液化評價的典型案例，在分析評價的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些特點和問題，亦產(chǎn)生了幾點不成熟的想法，拋磚引玉，與各位同行共勉。

2 現(xiàn)行規(guī)范對液化評價的問題探討

現(xiàn)行規(guī)范有液化評價內(nèi)容的主要為《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）。前者對液化的評價分別列出了初判和復(fù)判，主要是定性的，如“土的地震液化判定工作可分初判和復(fù)判兩個階段。初判應(yīng)排除不會發(fā)生地震液化的土層。對初判可能發(fā)生液化的土層，應(yīng)進(jìn)行復(fù)判”。建筑抗震設(shè)計規(guī)范中對液化的評價分為定性和定量兩部分，對應(yīng)液化指數(shù)即可得到液化等級。規(guī)范除規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)貫入判別法以外，還規(guī)定了相對密度復(fù)判法和相對含水率以及液性指數(shù)復(fù)判法進(jìn)行復(fù)判。

2.1 現(xiàn)行規(guī)范液化評價方法及適用性

現(xiàn)行的規(guī)范中在復(fù)判時提供了標(biāo)準(zhǔn)貫入、相對密度、相對含水率和液性指數(shù)幾種方法，現(xiàn)對這幾種方法的適用性及局限性進(jìn)行分析。①對砂層、粉土層的適用性：由于液化研究從一開始，主要就是針對易發(fā)生液化的粉細(xì)砂層、粉土層等地層進(jìn)行的，目前規(guī)范所采用的方法、規(guī)定，對粉細(xì)砂、粉土等極易產(chǎn)生液化的敏感地層已相對成熟，其判別方法易操作且判定結(jié)果符合實際情況。②對砂礫石層適用性：現(xiàn)行的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）條文說明中明確指出：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗主要只適用于砂土和少黏性土地基。③相對密度復(fù)判法適用性：采用相對密度法判定，只能做到規(guī)范上說的“不大于表P.0.4-2中的液化臨界相對密度時，可判為可能液化土”，還屬于定性的范籌。④相對含水率或液性指數(shù)復(fù)判法適用性：規(guī)范規(guī)定的復(fù)判法，很明顯主要只適合于少粘性土，對砂礫石無法采用，因為一般砂礫石樣品不做塑性指數(shù)或含水率測試。

2.2 實際操作中存在的問題

2.2.1 砂礫石層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的難點

按現(xiàn)行規(guī)范，評價液化最直接的方法為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)法，對砂礫石層無特別說明或?qū)Ｓ迷u價方法，因此實際操作中只能和砂層、粉土層一樣，均采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)為準(zhǔn)，且現(xiàn)行規(guī)范缺少砂礫石層液化評價實例。實際應(yīng)用中，由于砂礫石層一般都含有較大粒徑顆粒（卵石、礫石），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時會損壞試驗器刀口。在砂礫石層也強(qiáng)行做過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，除試驗時極易損壞刀口外，同時錘擊數(shù)也明顯增大，成功率很低。由于試驗數(shù)據(jù)偏少、離散性大，最終導(dǎo)致本身就不多的試驗數(shù)據(jù)無法使用。

2.2.2 內(nèi)業(yè)資料整理時的糾結(jié)

由前所述，砂礫石層中原位試驗一般為動力觸探試驗，即使有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗也是個別的。在資料整理分析時，因為無試驗資料或數(shù)據(jù)太少，代表性差無法使用。

再者，砂礫石液化現(xiàn)象總體來說，其液化比砂或少粘性土要小，有的還處于臨界狀態(tài)。同樣為砂礫石層，粘粒或砂粒含量稍高即存在液化，顆粒較粗且細(xì)粒含量少時則不產(chǎn)生液化，當(dāng)然這也與工程當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶群驮O(shè)防等級有關(guān)；按顆粒分析和相對密度判別的結(jié)果，往往是同一地層中，某幾組樣品判定為液化，某幾組樣品判定為不液化。又由于無法進(jìn)行定量評價，只能說明不產(chǎn)生液化或可能產(chǎn)生液化，對液化的嚴(yán)重程度無法得出結(jié)論。在此種情況下，勘察報告中關(guān)于液化的結(jié)論和處理建議就顯得尤為糾結(jié)。

3 工程實例及思路拓展

3.1 砂礫石液化分析評價的工程實例

3.1.1 涇河新城涇河防洪暨生態(tài)治理工程

1）工程地質(zhì)概況

工程區(qū)位于咸陽市涇陽縣城南的涇河干流上，治理河段長17.5 km，設(shè)計為1級堤防。地層巖性主要有卵石層、砂礫石層及砂層，底部為粉質(zhì)粘土。地震動峰值加速度a=0.15 g，地震動反應(yīng)譜特征周期T=0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。兩岸地下水補(bǔ)給河水，含水層為卵石、砂礫石層等。

2）砂礫石層顆粒組成及動力觸探試驗

根據(jù)試驗資料，砂礫石層中大于20 mm的卵粒含量為38.5%；2 mm～20 mm的礫粒含量為39.4%；砂粒含量為9.4%；小于5 mm顆粒含量為30.5%；小于0.075 mm的細(xì)粒含量為11.9%。砂礫石層的動力觸探試驗經(jīng)統(tǒng)計整理后，得出錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為9.5擊，呈稍密狀態(tài)。

3)砂礫石層的相對密度

根據(jù)野外天然密度試驗得到的天然干密度，結(jié)合室內(nèi)相對密度試驗取得的最大和最小干密度，按公式計算出每組樣品的相對密度，見表1。

表1 相對密度試驗統(tǒng)計表

4)液化判別

按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）中規(guī)定的初判方法（見規(guī)范P.0.3條）進(jìn)行差別。

首先砂礫石層的地質(zhì)年代不是晚更新世或以前，小于5 mm顆粒含量剛好超出規(guī)范要求的30%；小于0.005 mm顆粒的含量由于沒有再進(jìn)一步分析（按土工試驗規(guī)程和方法標(biāo)準(zhǔn)，篩析法最小孔徑為0.075 mm，當(dāng)粒徑小于0.075 mm的試樣質(zhì)量大于總質(zhì)量的10%時，才測定粒徑小于0.075 mm的顆粒組成），因此不能確定砂礫石層是否存在液化。本工程當(dāng)時也沒有進(jìn)行波速測試工作，只能進(jìn)行復(fù)判。

規(guī)范所列的3種復(fù)判方法，由于砂礫石層不宜作標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，相對含水率或液性指數(shù)復(fù)判法也不適合砂礫石地層，故采用相對密度法進(jìn)行復(fù)判。

工程區(qū)地震動峰值加速度a=0.15 g，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487）132頁中的表P.0.4-2查得，液化臨界相對密度為0.73。從表1中各試驗樣品的相對密度指標(biāo)可以看出，僅樣品TK17的相對密度大于液化臨界相對密度，也就是說6組樣品中，有5組都有可能產(chǎn)生液化，但液化程度到底如何就不得而知了，因為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的液化指數(shù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)來計算的，沒有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗數(shù)據(jù)就無法判定。

3.1.2 天水市藉河生態(tài)綜合治理工程

1）工程地質(zhì)概況

工程位于天水市藉河干流上，治理河段長13 km，主要建筑物有兩岸堤防、橡膠壩和鋼壩閘等。地層結(jié)構(gòu)上部為砂礫石層，下部為泥巖。地震動峰值加速度a=0.30 g，地震動反應(yīng)譜特征周期T=0.40 s（本工程當(dāng)時也沒有進(jìn)行波速測試工作），相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，砂礫石為主要含水層。

2)砂礫石層的動力觸探試驗

通過對砂礫石層的動力觸探成果統(tǒng)計，錘擊數(shù)為9～12擊，呈稍密～中密狀態(tài)。

3)砂礫石層的相對密度

根據(jù)野外天然密度試驗得到的天然干密度，結(jié)合室內(nèi)相對密度試驗取得的最大和最小干密度，按公式計算出每組樣品的相對密度，見表2。

表2 砂礫石層相對密度試驗統(tǒng)計表

4）液化判別

由于砂礫石層不能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，因此采用規(guī)范所列的其它幾種方法對液化問題進(jìn)行分析。

a.按顆粒組成分析

從表3可以看出，雖然為同一地層，但按顆粒組成分析樣品，有的液化有的不液化。上段6個壩基中，小于5 mm的粒徑含量一般為22.4%～36.7%，所取15組樣品中有10組小于30%，細(xì)粒含量均小于5%，說明有三分之一的樣品有液化可能，且液化樣品分布于不同壩基中。下段4個壩基中，小于5 mm的粒徑含量一般為26.6%～37.2%，所取8組樣品中有3組小于30%，細(xì)粒含量最大僅為3.8%，說明有液化可能的為3組，占全部的38%，且液化樣品在各壩線呈無規(guī)律分布。

表3 各壩基砂礫石層按顆粒含量液化初判表

b.按相對密度分析

根據(jù)規(guī)范要求，判定土層相對密度不大于表4（擇自《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》第132頁）中的液化臨界相對密度時，可判為可能液化土。上段砂礫石層相對密度一般為0.35～0.69，平均0.63，下段砂礫石層相對密度一般為0.55～0.68，平均0.53，均屬于中密狀態(tài)，且小于規(guī)范要求，故屬可能液化土層。

表4 飽和無粘性土的液化臨界相對密度

c.按地層剪切波速分析

上段地層剪切波速測試砂礫石層Vs=137 m/s～363 m/s,下段地層剪切波速測試砂礫石層Vs=134 m/s～645 m/s,對應(yīng)上限剪切波速不滿足規(guī)范要求，初判為可能液化土。

3.2 思路拓展

3.2.1 利用動力觸探評價砂礫石層液化的可行性和意義

目前還沒有專門針對砂礫石層液化的評價方法，若用標(biāo)準(zhǔn)貫入可以評價砂層及粉土層的液化，那么動力觸探為什么就不能用來評價砂礫石層的液化問題呢？兩者原理相近，使用的試驗器具基本一致。如能通過動探擊數(shù)，對應(yīng)相對密度、粒徑組成等，找出其中相互關(guān)聯(lián)的規(guī)律，從而解決其液化的定性評價問題應(yīng)該是可能的。

目前，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和相對密度之間有較成熟的對應(yīng)關(guān)系，但動力觸探和相對密度之間缺乏對應(yīng)關(guān)系。如能通過試驗分析，建立工程區(qū)砂礫石層的相對密度Dr和動力觸探擊數(shù)N63.5之間的對應(yīng)關(guān)系，則完全可以利用“規(guī)范”中相對密度法（已轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的動探擊數(shù)）來對砂礫石層是否液化進(jìn)行評判。

但砂礫石層液化評價的難點，在于定量評價。如果要利用動探擊數(shù)來進(jìn)行定量評價，其實際操作上，甚至是解決問題的思路或者說方向上，還比較模糊，只能在實踐中不斷摸索。

3.2.2 利用動力觸探評價液化嘗試

1）工程實例

以天水穎川河治理工程為例，工程區(qū)地震動峰值加速度a=0.30 g，地震動反應(yīng)譜特征周期T=0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中相對密度復(fù)判法，該工程區(qū)的液化臨界相對密度應(yīng)為8.0。具體思路，首先利用規(guī)范中按細(xì)粒含量的初判法，對所有樣品進(jìn)行初判，篩選剔除掉不需要復(fù)判的樣品，然后利用相對密度法進(jìn)行復(fù)判，最后再對應(yīng)各取樣點最近的鉆孔動探擊數(shù)來比較，用以證明動探擊數(shù)評判的可行性。各評判結(jié)果對照見表5。

2）可行性分析

從表5可以看出，參與試驗比對的20組樣品中，利用細(xì)粒含量初判法剔除了5組不會液化的樣品。再利用相對密度法對剩余的15組樣品進(jìn)行判別，判別結(jié)果為不液化的2組，可能液化的13組。最后再對應(yīng)動探擊數(shù)比對，從動探擊數(shù)來看，有兩個動探擊數(shù)為13擊的樣品，按相對密度法評判時，一個液化一個不液化。而小于13擊的樣品，在相對密度評判時全部為可能液化，大于13擊的樣品不液化。很顯然，13擊的動探擊數(shù)，應(yīng)為這個樣品試驗區(qū)的液化臨界值，其規(guī)律還是很明顯的。

值得指出的是，在利用細(xì)粒含量初判法剔除的5組樣品中，如果只用動探擊數(shù)來判別，則這5組樣品全部為可能液化樣品，所以若要利用動探擊數(shù)來評價液化時，必須先用細(xì)粒含量初判法予以篩選剔除。

3）動力觸探評價法的優(yōu)點

在水利水電工程勘察中，鉆孔動力觸探屬常規(guī)性試驗，在某種程度上是必不可少的，其操作簡便易行，數(shù)據(jù)應(yīng)用成熟。即使不進(jìn)行液化評價，動力觸探試驗還是要做的，如能利用動探擊數(shù)來進(jìn)行液化評價，則可在不增加費(fèi)用和工作量的前提下，完善某些工程中資料不全面、某一評價方法不能操作的尷尬。

表5 砂礫石層液化判別表

4 結(jié)語

我國目前對砂礫石層液化方面的研究不多，實際工作中遇到類似問題無具體規(guī)范、方法可循，在此提出的用動力觸探對砂礫石層進(jìn)行液化評價的想法還不甚成熟，該方法是否可做為最終評判依據(jù)，還值得商榷。假使可行，則還需要大量的工程實踐和數(shù)據(jù)分析比對。寫這篇文章的目的，是為拋磚引玉，希望引起各位業(yè)界同仁的注意，共同摸索探討，期望在不久的將來，砂礫石層液化評判能準(zhǔn)確、簡便、易行。